Gauge Invariance

Surface Plasmon Resonance (SPR) Tuning ist ein Verfahren, das es ermöglicht, die optischen Eigenschaften von Oberflächenplasmonen zu steuern, die an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum entstehen. Diese Resonanzphänomene sind empfindlich gegenüber Änderungen in der Umgebung, wie z.B. der Brechungsindexänderung, was sie ideal für Biosensoren und analytische Anwendungen macht. Durch gezielte Modifikationen der Metalloberfläche, wie z.B. durch die Variation der Dicke des Metalls, die Verwendung unterschiedlicher Materialkombinationen oder die Anpassung der Wellenlängen des einfallenden Lichts, kann die Resonanzbedingung optimiert werden.

Die mathematische Beziehung, die diesem Phänomen zugrunde liegt, kann durch die Gleichung

ausgedrückt werden, wobei $\lambda$ die Wellenlänge, $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $k$ die Wellenzahl ist. Darüber hinaus spielen auch Parameter wie Temperatur und chemische Umgebung eine Rolle, weshalb das Verständnis von SPR-Tuning für die Entwicklung hochsensitiver Sensoren von entscheidender Bedeutung ist.

Eine Jordan Curve ist eine geschlossene, einfache Kurve in der Ebene, die sich nicht selbst schneidet. Sie ist benannt nach dem Mathematiker Camille Jordan, der in seinem Werk von 1887 das berühmte Jordan-Kurvensatz formulierte. Dieser Satz besagt, dass eine solche Kurve die Ebene in genau zwei Regionen unterteilt: eine Innere und eine Äußere. Die Innere Region ist zusammenhängend und wird von der Kurve vollständig umschlossen. Eine wichtige Eigenschaft der Jordan Curve ist, dass jeder Punkt außerhalb der Kurve von Punkten innerhalb der Kurve durch eine Linie verbunden werden kann, die die Kurve nicht schneidet. Diese Konzepte sind grundlegend in der Topologie und finden Anwendung in verschiedenen Bereichen der Mathematik und Informatik.

Ein Hamiltonian System ist ein dynamisches System, das durch die Hamiltonsche Mechanik beschrieben wird, eine reformulierte Version der klassischen Mechanik. In einem solchen System wird der Zustand eines Systems durch die Hamiltonsche Funktion $H(q, p, t)$ charakterisiert, wobei $q$ die generalisierten Koordinaten und $p$ die zugehörigen Impulse sind. Die Bewegungsgleichungen werden durch die Hamiltonschen Gleichungen gegeben, die wie folgt aussehen:

Diese Gleichungen beschreiben, wie sich die Zustände des Systems im Laufe der Zeit ändern. Hamiltonsche Systeme sind besonders in der Physik und Mathematik wichtig, da sie Eigenschaften wie Energieerhaltung und Symplektizität aufweisen, was bedeutet, dass sie in der Phase raumkonservierend sind. Solche Systeme finden Anwendung in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Quantenmechanik, der statistischen Mechanik und der Chaosforschung.

Kruskal’s Algorithmus ist ein effizienter Greedy-Algorithmus zur Bestimmung des minimalen Spannbaums eines gewichteteten, ungerichteten Graphen. Der Algorithmus funktioniert, indem er alle Kanten des Graphen in aufsteigender Reihenfolge ihres Gewichts sortiert und dann die leichtesten Kanten hinzufügt, solange sie keinen Zyklus im wachsenden Spannbaum erzeugen. Hierzu wird eine Datenstruktur, oft ein Union-Find-Algorithmus, verwendet, um die Verbindungen zwischen den Knoten effizient zu verwalten. Die Schritte des Algorithmus sind:

1. Sortiere die Kanten nach Gewicht.
2. Initialisiere einen leeren Spannbaum.
3. Füge die leichteste Kante hinzu, wenn sie keinen Zyklus bildet.
4. Wiederhole diesen Prozess, bis $n-1$ Kanten im Spannbaum sind (wobei $n$ die Anzahl der Knoten ist).

Am Ende liefert Kruskal's Algorithmus einen minimalen Spannbaum, der die Gesamtkosten der Kanten minimiert und alle Knoten des Graphen verbindet.

Der synchronous reluctance motor (SynRM) ist ein elektrischer Motor, der auf dem Prinzip der Reluktanz basiert und ohne Permanentmagneten oder Wicklungen im Rotor auskommt. Der Rotor besteht aus einer anisotropen magnetischen Struktur, die eine bevorzugte Richtung für den Flusslinienverlauf bietet. Dies ermöglicht eine synchronisierte Rotation mit dem Magnetfeld des Stators bei der Netzfrequenz. Ein wichtiges Kriterium für das Design ist die Minimierung der Reluktanz im Pfad des Magnetflusses, was durch die gezielte Formgebung und Materialwahl erreicht wird.

Die Leistung und Effizienz des SynRM können durch die folgenden Parameter optimiert werden:

• Rotorform: Eine spezielle Gestaltung des Rotors, um die Reluktanzunterschiede zu maximieren.
• Statorwicklung: Die Auswahl von Materialien und Wicklungen, um die elektromagnetischen Eigenschaften zu verbessern.
• Betriebsbedingungen: Die Anpassung an spezifische Anwendungen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Insgesamt bietet der SynRM eine kostengünstige und robuste Lösung für verschiedene Anwendungen, insbesondere in Bereichen, wo eine hohe Effizienz und Langlebigkeit gefordert sind.

Die Riccati-Gleichung ist ein zentrales Element in der optimalen Steuerungstheorie, insbesondere bei der Lösung von Problemen mit quadratischen Kostenfunktionen. Sie beschreibt die Beziehung zwischen dem Zustand eines dynamischen Systems und der optimalen Steuerung, die angewendet werden sollte, um die Kosten zu minimieren. In ihrer klassischen Form wird die Riccati-Gleichung oft als

formuliert, wobei $P$ die Lösung der Gleichung ist, $A$ und $B$ die Systemmatrizen, $Q$ die Kostenmatrix für den Zustand und $R$ die Kostenmatrix für die Steuerung darstellen. Die Lösung $P$ ist entscheidend für die Bestimmung der optimalen Rückführung der Steuerung, die typischerweise in der Form $u = -R^{-1}B^T P x$ gegeben ist. Somit ermöglicht die Riccati-Gleichung die Berechnung der optimalen Steuerung in linearen quadratischen Regler-Problemen, was in vielen Anwendungen wie der Regelungstechnik und der Finanzwirtschaft von Bedeutung ist.